（电力电子与电力传动专业论文）基于神经网络逆的无刷直流电机调速系统控制.pdf

江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t a c c o m p a n i e db yt h ed e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r y , b r u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) s p e e d r e g u l a t i n gs y s t e mi sw i d e l ya p p l i e di nf a c t o r yy i e l d t h eb m s h l e s s d cm o t o ra d o p t se l e c t r o n i cc o m m u t a t i o ni n s t e a do ft h em e c h a n i c a lc o m m u t a t i o n a n d h a sb e e ne x t e n s i v e l yu s e di nm a n yi n d u s t r i a ld o m a i n s ，s u c ha sa v i a t i o n s r o b o t s ， d i g i t a lm a c h i n et o o l s ，a n di nm e d i c a lo rh o m ea p p l i a n c e s t h eb r u s h l e s sd cm o t o r h a se x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c so fg o o ds t a r ta n dt i m i n gp e r f o r m a n c e ，b u ti ti san o n l i n e a r s y s t e mo w i n gt oc o m m u t a t i o np r o c e s sa n da r m a t u r er e a c t i o n s oi ti ss i g n i f i c a n tt o d e v e l o ps u c hac o n t r o ls y s t e mw i t hq u i c kr e s p o n s e ，p o w e r f u lr e g u l a t i o nc a p a b i l i t ya n d h i g hp r e c i s i o n w i t ht h ef i n a n c i a la i do fn a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef u n d ( 6 0 8 7 4 0 l4 ) ， c h i n am i n i s t r yo fe d u c a t i o nf u n d ( 2 0 0 5 0 2 9 9 0 0 9 ) a n dn a t u r a ls c i e n c ef u n do fj i a n g s u p r o v i n c e ( b k 2 0 0 7 0 9 4 ) b r u s h l e s sd cm o t o rs p e e d - r e g u l a t i n gs y s t e mb a s e do nn e u r a l n e t w o r ki n v e r s ew a sp r o p o s e da n ds t u d i e dp e r f o r m a n c eo fs p e e d r e g u l a t i n ga n dl o a d d i s t u r b a n c e f i r s t l y , t h er e v e r s i b i l i t yo fb r u s h l e s sd cm o t o rw a st e s t i f i e d o nt h eb a s i so f r e v e r s i b i l i t ya n a l y s i so fo r i g i n a ls y s t e m ，t h ei n v e r s em o d e la p p r o x i m a t e db yt h e d y n a m i c a lb pn e u r a ln e t w o r kw a sc a s c a d e dw i t ht h eo r i g i n a ls y s t e m s e c o n d l y , b a s e do nm a t l a b t h em o d e lo ft h i sb r u s h l e s sd cm o t o rs y s t e mw a s c o n s t r u c t e db ys f u n c t i o n ，a n dt h e nt h ef e a s i b i l i t yo fc o n t r o lm e t h o db a s e do n n e u r a ln e t w o r ki n v e r s ew a st e s t i f i e db ys i m u l a t i o n t h i r d l y , t h eh a r d w a r eo ft h es y s t e mu s e dt h et m $ 3 2 0 f 2 8 12a st h em a i nc h i p t h e i n v e r t e rw i t hb u c kc o n v e r t e rm a d eu po ft h ed r i v ec i r c u i t t h es o f t w a r ed e s i g n m a i n l yc a m ef r o mn e u r a ln e t w o r ki n v e r s ec o n t r o lm e t h o dw h i c hc o n t a i n e dt h e i m p l e m e n t a t i o no fn e u r a ln e t w o r ka n dd y n a m i ci n t e g r a t o r s b ye a c hh a r d w a r ea n d s o f t w a r ep a r t so fs y s t e md e b u g g i n g ，t h ee x p e r i m e n to fb l d c mc o n t r o ls y s t e mw a s a c c o m p l i s h e d e x p e r i m e n t r e s u l t ss h o w e dt h a tt h e p r o p o s e ds c h e m er e d u c e d o v e r s h o o t p r e s e r v e df a s ts p e e dr e s p o n s em e r i t a n ds h o w e dr o b u s tt ol o a dd i s t u r b a n c e n e u r a ln e t w o r ki n v e r s ec o n t r o lm e t h o de f f e c t i v e l yi m p r o v e dd y n a m i ca n ds t a t i c o p e r a t i o np e r f o r m a n c ea n dw a san o v e lc o n t r o lm e t h o df o rb r u s h l e s sd cm o t o r f i n a l l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ea p p l i c a t i o no fs y n c h r o n i z e dr e c t i f i c a t i o n t e c h n o l o g yi nb m s h l e s sd cm o t o rs y s t e m i nv i e wo ft h el o ws t a b i l i t yo ft h ew h o l e s y s t e mt h a tc a u s e db yt h eh i g h h e a t i n gv a l u eh a db e e ng i v e no f fb yt h ed r i v i n gc i r c u i t o ft h ee l e c t r i cv e h i c l ep o w e rd r i v e ns y s t e mt h a tw o r k e di nt h ea c t u a lw o r k i n gp r o c e s s t h es y n c h r o n i z e dr e c t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yw a sa p p l i e dt ot h ed r i v i n gc i r c u i to ft h e c o n t r o l l e r 砀er e c o v e r yd i o d eu s i n gf o rf r e e w h e e l i n gw a sr e p l a c e db ym o s f e tw i t h l o wb r e a k o v e rr e s i s t a n c e t 1 1 el o s so ff r e e w h e e l i n ga n dt h eh e a t i n gh a db e e nr e d u c e d s ot h es t a b i l i t ya n de f j f i c i e n c yo fd r i v ec i r c u i th a db e e nh i g h l ye n h a n c e d t l l e f e a s i b i l i t ya n ds u p e f i o r i t vo ft h i sd e s i g nw a sc o n f i r m e db ye x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：b r u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c i v o ，n e u r a ln e t w o r k , i n v e r s es y s t e m , s y n c h r o n i z e d r e c t i f i c a t i o n i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论 文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文作者签名： 2o l o 年6 月j z 日 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密p 、 金鹏 指剥撇：萨7 圉多伊 2 0 t b 年6 只| ；b 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：昼朋乡 日期： z 。扣年易月 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 电机作为机电能量转换装置，其应用范围遍及国民经济的各个领域以及人们 的同常生活。无刷直流电机既具备交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等 一系列优点，又具备直流电机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好、控制 方式简单等优点。近年来由于电力电子器件价格的大幅降低以及高性能数字处理 器的出现，稀土永磁无刷直流电机越来越广泛地应用于中小功率高性能调速系统 和军用民用伺服控制系统中。 1 1 无刷直流电机的发展历史 直流电机具有线性的机械特性、调速范围宽、启动转矩大、控制方式简单等 优点，长期以来一直广泛地应用在各种驱动装置和伺服系统中。但是传统的直流 电机采用机械电刷换相，因而结构复杂，同时又存在机械摩擦，由此带来了噪声、 电火花、电磁干扰以及寿命短等问题。再加上制造成本高、维修困难等缺点，大 大限制了它的应用范卧嵋j 。 随着社会生产力的提高和科学技术的突飞猛进，半导体技术得到了长足的发 展，开关型晶体管的研制成功为无刷直流电机的产生奠定了基础。早在1 9 1 7 年， b o l i g e r 就提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷，从而诞生了无刷直流 电机的基本思想。1 9 5 5 年，美国d h a r r i s o n 等人首次申请了用晶体管换相电路 代替有刷直流电机机械电刷的专利，标志着现代无刷直流电机的诞生，但由于该 电机尚无启动转矩【3 4 】且晶体管换相电路功率过低，该电机未能商品化。此后， 经过人们多年的努力，借助于位置传感器来实现换相的无刷直流电机终于在 1 9 6 2 年问世，从而开创了无刷直流电机产品化的新纪元。 无刷直流电机的发展与永磁材料的发展密切相关【5 】。永磁材料发展初期主要 是铝镍钴，这种永磁材料磁能积较低，含金属钴，价格贵，但温度特性好，所以 至今在某些场合还有应用。随后铁氧体永磁材料被开发出来。这种永磁材料磁能 积并不高，但它价格低，因此在很长一段时间内占据了市场的主导地位。1 9 8 3 年日本住友金属公司发明了钕铁硼( n d f e b ) ，它矫顽力大，磁能积高，不含价 江苏大学硕士学位论文 格昂贵的合金元素。该种永磁材料的出现引起了永磁材料的一场革命。钕铁硼永 磁材料的应用，进一步减少了电机用有色金属耗材量，促进了无刷直流电机向高 效率、小型化、节能的方向发展。 在结构上，与有刷直流电机不同，无刷直流电机以电枢绕组作为定子，励磁 绕组由永磁材料来代替。由于永磁材料的使用，大大减小了电机的重量，简化了 电机的结构，使电机可靠性得到了提高。按照永磁体充磁方式的不同，无刷直流 电机可分为方波无刷直流电机( b l d c m ) 和正弦波无刷直流电机( p m s m ) 【6 】。 由于气隙磁场形状的不同，运行中两种电机分别具有梯形波与正弦波两种不同的 反电动势。从性能上分析，b l d c m 控制方式简单，出力大，但转矩脉动较大； 而p m s m 控制方式较为复杂，但控制精度高，转矩脉动小，适于高精度伺服控 制。本文主要选取的是方波无刷直流电机( b l d c m ) 作为研究对象。 随着电力电子技术特别是大功率全控型开关器件的相继出现，在控制电路 上，广泛采用如m o s f e t 和i g b t 等开关器件，使得无刷直流电机的驱动电路 逐渐由小型化、模块化的集成电路取代线路复杂、体积庞大、性能指标低的分立 电路川。 除了保持有刷直流电机优越的起动和调速性能外，无刷直流电机最大的特点 是没有由换向器和电刷组成的机械接触结构，寿命长，电磁干扰小。经过近四十 年的发展，目前已广泛应用在计算机外围设备( 如软驱、硬盘、光驱等) 、办公 自动化设备( 如打印机、复印机、扫描仪、绘图仪、复印机等) 、家电( 如洗衣 机、空调、风扇等) 、音像设备( 如v c d 、摄像机、录像机等) 、汽车、电动自 行车、数控机床、机器人、医疗设备等领域。在国防与航天领域更是出现了超高 速无刷直流电机用于磁悬浮储能飞轮【8 j 。 与同样是无刷结构的变频调速感应电动机相比，永磁无刷直流电机也有较多 的优势1 9 , 捌。实践表明，永磁无刷直流电机比之异步电动机有以下特点： ( 1 ) 转动惯量较小，响应更快，具有更高的转矩惯量比； ( 2 ) 无需励磁，具有更高的效率和功率因数； ( 3 )永磁转子没有能耗，发热部分在定子上，散热条件较好，可以相对取高 一些的电磁负荷，因此便于设计时减小体积，增大功率密度； ( 4 ) 气隙主磁通是由转子永磁体产生的，定子绕组电流与产生的转矩可设计 2 江苏大学硕士学位论文 成线性关系。 与开关磁阻电动机相比，无刷直流电机一般采用实心转子结构，转子上没有 绕组，因此结构更加简单可靠，适合高速与超高速运行。而开关磁阻电动机的功 率密度和效率要低一些，同时开关磁阻电动机具有很强非线性，且鉴于开关磁阻 电动机的本身工作原理的原因，这种电机具有较大噪音和转矩脉动。 1 2 无刷直流电机控制技术的发展概述 无刷直流电机由于调速性能优良，且体积小、重量轻、效率高、转动惯量小、 不存在励磁损耗问题，在中小功率电气传动领域逐渐代替直流电机。近四十年来， 国内外专家学者对无刷直流电机控制技术进行了大量的研究，总体来说可以归纳 为以下几点： 1 2 1 无位置传感器控制 传统的无刷直流电机控制需要安装霍尔位移传感器，通过霍尔位置传感器检 测转子位置，来保证各相的正确换相。而霍尔位置传感器的存在带来了许多缺点： ( 1 )电机和控制线路间联接元件增多，抗扰性变差； ( 2 ) 温度、湿度、振动等环境因素影响传感器的精度； ( 3 ) 相对于无位置传感器系统，系统成本增加，包括传感器和电子线路等； ( 4 ) 霍尔位移传感器需要安装在电角度互差1 2 0 0 空间上，对于极对数较 多的电机，霍尔安装可能造成较大误差，造成换相误差，当电角度误 差大于1 5 0 时，换相将产生错误； ( 5 ) 霍尔位移传感器的安装会增大电机体积，不能适应特殊应用场合的要 求。 因此，有位置传感器的驱动方式很大程度上限制了无刷直流电机的推广和应 用。针对位置传感器带来的种种问题，国内外学者进行了大量的研究工作，提出 了多种位置信号的检测方法。无位置传感器控制的最关键的技术，是如何获得转 子位置信号以及转子如何从静止起动等。 检测反电动势过零点或利用反电动势直接检测换相点是无刷直流电机无传 感器控制比较常见的方法【i 。实现方法多用“端电压法”和“相电压法”，即利 江苏大学硕士学位论文 用无刷直流电机的端电压或相电压检测反电动势的过零点或换相点来实施换相。 文献 1 2 】依靠检测浮空相的端电压得到反电动势过零点，然后延时3 0 0 电角度的 时间进行换相。文献 1 3 n 提出了种利用反电势三次谐波检测转子位置的新方 法，该方法调速范围更宽，实现简单，不需要深度滤波。但当电机转速较低时， 反电势幅值较小，很难通过反电动势检测来获得正确的位置信号，此时采取反电 动势检测的方法就会受到限制。为此，文献 1 4 1 提出了通过检测反并联在浮空相 开关管上的续流二极管的电流状态来判断转子位置的方法。该方法能够弥补反电 动势检测法在低速下的不足，扩大了电机的调速范围，此方法的本质上还是基于 测量反电动势的方法。但是该方法需要单独检测出与开关管反并联的二极管的电 流状态，所以需要六路检测电路，实现复杂。磁链计算方法的原理是通过测量到 的绕组电压、电流信息以及相应的电机参数，使用定子电压方程计算出磁链，利 用磁链和转子位置之间的固定关系，估算出目前转子所处的位置【1 5 1 ，该方法需 要精确的转子初始位置，且积分误差和对电机参数的敏感性必须要考虑。 当前比较成熟而可行的方法多集中于电机在中高速区域运行时，能够对转子 位置较准确的估计。但当电机处于低速运行时，由于反电动势幅值较小，大部分 位置检测方法无法估计转子位置，这是亟待解决的问题。针对以上情况，文献 1 6 】 从物理角度推导出电机换相信号的公式，该公式不含速度量，所以该方法不受电 机转速影响，能够在极低的速度下正常运行。文献 1 7 】提出了用滑模观测器来估 算反电势波形，从而得到换相信号，实验结果表明该观测器对系统干扰、参数变 化有很强的鲁棒性，控制效果令人满意，但相对来说计算比较复杂。 1 2 2 换相转矩脉动抑制 无刷直流电机控制简单，但由于转矩脉动较大，影响了其在某些高性能场合 的应用。目前国内外在转矩脉动抑制方面的研究主要集中在齿槽转矩抑制、换相 转矩脉动抑制以及由非理想反电动势引起的转矩脉动抑制几个方面，具体的措施 有从电机本体的优化设计出发，也有从控制策略的改进出发【1 8 2 0 】。这里主要介绍 从控制策略来减小转矩脉动。由于相电感的存在，无刷直流电机换相时存在换相 延时，导致换相时转矩有脉动1 2 。转矩脉动会降低电力传动系统性能并造成机 器噪音、震动，缩短机器使用寿命和降低驱动系统的可靠性。文献【2 2 】分析了电 4 江苏大学硕士学位论文 机换相转矩脉动产生的原因，指出换相转矩脉动不仅与电机绕组电流有关，还与 换相时相绕组反电势瞬时值、换相位置角、绕组参数等因素有关，并通过数值计 算结果说明了各因素对换相转矩脉动的影响程度，为研究换相转矩脉动的抑制提 供了理论依据。文献 2 3 1 对电机各速度段电流换相所引起的转矩脉动作了详细的 理论分析和仿真，并提出了用滞环控制与p w m 控制相结合来抑制电机低速段的 转矩脉动的方法，实验结果显示了该方法的良好效果，但该方法没有对电机高速 段的转矩脉动抑制提出相应的办法。针对以上情况，文献 2 4 1 提出了在双斩波 p w m 调制方式下采用不同的方式对高速和低速进行补偿，并给出了详细的仿真 和实验波形，取得了很好的效果。文献 2 5 1 通过在换相时改变输入电压值的方法 来减少电流脉动，输入电压的变化值由拉普拉斯变换计算得到，仿真结果表明该 方法能很好的抑制转矩脉动。 在无刷直流电机运行的传导区同样也会产生转矩脉动，文献 2 6 重点介绍了 无刷直流电机传导区转矩脉动产生的原因，并采用了一种多 i - nb u c k 变换器的 硬件方法消除传导区脉动。 1 2 3 智能控制策略 现代工业中对电机性能的要求越来越高，而电机性能的改善主要通过以下两 个途径：一是对电机本体的研究，主要是采用特殊结构以改善电机性能；另一种 途径就是采用先进的控制策略。 过去对无刷直流电机的研究主要集中于对电机本体、控制器硬件电路及无位 置传感器等方面的研究，对现代控制策略应用方面的研究较少，要求较高的控制 系统通常仅仅工作电流及转速的双闭环运行方式。现代工业应用中对电机控制系 统性能的要求越来越高，而普通p i d 控制算法仅能在线性时不变的数学模型所描 述的控制系统获得良好性能。当系统中存在未知或变化的动态量时，这种控制方 式就不能取得很好的效果，当系统的参数时变过大时，甚至会不稳定。由于无刷 直流电机是一个非线性、强耦合的系统，应用经典p i d 控制难以达到较高的控制 要求，难免会出现超调过大、响应时间慢等缺点。现代控制理论和智能控制理论 在无刷直流电机控制上都得到了充分的应用，如神经网络控制、模型参考自适应、 变结构、遗传算法、参数自适应控制等各种先进控制策略对无刷直流电机进行控 江苏大学硕士学位论文 制【2 7 3 。随着高性能的d s p 等控制器件的发展，计算的复杂性在一定程度上得到 解决，使得现代控制理论和智能控制理论进一步得到应用，电机的控制性能也进 一步得到提升【3 2 。3 1 。 下面就主要的几种控制策略作简单介绍： 1 、滑模变结构控制 滑模变结构控制是对非线性不确定系统的一种有效的综合方法，通过对切换 函数符号判别，不断地切换控制量来改变系统结构，使状态变量运动到事先设计 好的空间切换面上。滑模变结构控制对系统的参数摄动和内外干扰鲁棒性非常 强，且结构简单、响应快速、对控制对象参数变化及外部扰动不敏感、物理实现 简单等特点。变结构控制策略鲁棒性较好，具有响应时间快速，速度跟踪精度高 的控制效果【3 4 。5 1 。 2 、模糊控制和p i d 相结合的f u z z y p i d 控l j 3 6 。3 7 】 如何在较宽的调速范围内提高电流调节特性及减小力矩波动一直是无刷直 流调速系统研究的焦点。对于速度闭环，速度调节器大部分采用数字p i d 调节器， 这对非线性、强耦合的无刷直流调速系统来说有局限性。模糊控制一直是近年来 研究的热点，它不依赖于被研究对象精确的数学模型，对系统动态响应有较好的 鲁棒性，但难以消除调节终了时系统的稳态误差，而模糊控制和p i d 相结合的控 制方法可很好地解决这一不足，若将两者结合起来则系统同时兼有两种方法的双 重优点。 3 、遗传算法和模糊控制的结合【3 8 1 近年来，遗传算法受到了国内外的重视，成为研究的热点之一。作为一种模 仿生物进化过程的最优化方法，具有不需要求梯度、可以通过变异功能避免极值， 能得到全局最优解、算法简单、可并行处理等优点。模糊控制具有较好的分类特 性，但其具有一定局限性，由于模糊控制器的设计参数很多( 模糊控制规则及规 则可信度、输入输出的比例因子、输入输出变量各模糊子集的隶属度函数) 以及 模糊控制器本身的非线性等原因，至今仍缺乏有效通用的模糊控制器设计和调整 方法，而只能依靠设计者的经验和反复调试。遗传算法优化模糊控制设计参数作 为一种新的优化思路，若应用于调速系统，即把用遗传算法优化隶属度参数的模 糊控制器应用于无刷直流电动机交流调速系统，从理论上来说，可以更好的控制 6 江苏大学硕士学位论文 效果。 1 2 4 恒功率弱磁控制 直流电机的弱磁控制技术已经广泛被业界认可。无刷直流电机虽然拥有类似 于直流电机的机械特性，但在弱磁控制领域却与传统的直流电机差距甚大。目前 无刷直流电机广泛应用于民用电动车领域，其车速的限制已经成为瓶颈，恒功率 弱磁控制拥有非常大的实用价值。但是在恒功率弱磁控制方面，仅仅针对 b l d c m 是否适用于恒功率弱磁这个观点就存在争议，还有观点认为b l d c m 不 适用恒功率弱磁。直到1 9 8 4 年t h o m a sm j a h n 利用基波分析方法，预测了 b l d c m 在1 2 0 0 导通模式和18 0 0 导通模式下增大电流超前角时转矩与转速关系 【3 9 1 。文中给出了最大电流超前角为3 0 。时的扩速倍数，从t h o m a s 的分析结果可 以看出，1 2 0 0 导通模式下的最大扩速范围只有1 1 2 5 倍基速。但是，在1 9 8 9 年 p p i l l a y 在比较p m s m 与b l d c m 这两种永磁电机时，明确指出与p m s m 相比， b l d c m 不适合于恒功率弱磁 4 0 , 4 1 】，但没有进一步分析b l d c m 不适用于有恒功 率弱磁要求场合的原因。直到2 0 0 2 年，美国人j s l a w e r 采用的面贴式永磁体 恒功率扩速范围，也只达到了1 5 倍左右基速【4 2 】。然而b l d c m 的恒功率弱磁研 究并没有因此停滞，d m i o n e l 提出一种q 轴磁障型b l d c m l 4 3 , 4 4 1 ，其转子为切 向式布磁，并在两个永磁体之间布置空气磁障，利用这种磁障结构有效的在保持 内嵌式d 轴磁路不变的前提下调节了q 轴磁路【4 ”。除了电机本体的改造以外， b l d c m 恒功率弱磁控制在控制器结构上也有所突破，2 0 0 2 年j s l a w l e r 提出的 双模式运行拓扑结构。这种拓扑结构的逆变器在定子绕组和逆变器开关之间加入 了反并联的s c r ，在控制逆变器开关器件开通的同时导通该相的反并联的s c r 。 由于s c r 不能反向导通，因而有效的抑制了转速上升时反电势升高使主开关器 件反并联的续流二极管开通造成的不必要的能量回馈，从而扩大了恒功率速度范 围。 1 3 本文的研究目的和意义 现代工业对电机的控制性能要求越来越高，传统的p i 控制具有结构简单、 稳定性好、可靠性高等特点，当建立起控制对象的精确数学模型时，只要正确设 7 江苏大学硕士学位论文 定参数k p ，k i ，p i 控制器便可以实现其作用，但是设计中存在着动态响应时间 与超调量的技术指标难以兼容的缺点。并且由于电机存在着非线性、时变性等不 确定性因素，此时p i 控制效果难以达到预期的目标。 7 0 年代以来，智能控制作为控制领域中的一个新的分支开始形成和发展起 来。智能控制的目标就是将人脑的智能、计算机技术与控制理论结合起来，弥补 传统的数学定量化方法的不足。它在处理具有不确定性的非线性系统或过程控制 时，充分利用人的经验，比先通过系统辨识再进行控制或同时进行控制和辨识以 及修改控制器的控制手段显示出更强的灵活性与鲁棒性，这种新方法与其他非线 性控制理论的结合为非线性控制的发展注入了新的活力。 基于微分几何或逆系统方法的连续非线性系统的控制在理论上已经比较成 熟，但这些方法要求被控系统的数学模型精确已知，必须求出反馈控制的解析表 达式，而且要求系统参数恒定或参数变化规律已知，这些前提条件在实际的工程 应用中很难满足。因此，如何突破“解析型”框架的束缚，已经成为这些方法在应 用中的“瓶颈”问题。神经网络控制在对无法用数学模型精确描述的非线性系统控 制中显示出较大的优越性，而离散非线性系统的控制理论本身的不成熟性，又导 致神经网络的控制效果无法令人满意。随着自动控制、人工智能、神经网络理论、 计算机科学、模式识别等相关学科相互结合与渗透，戴先中等人提出了神经网络 0 【阶逆系统理论和方法。它的主要优点是：不依赖于被控系统精确的数学模型， 只需要很少的先验知识；适用于常规的非线性系统；能很好实现被控系统的解耦 线性化。该方法在文献 4 6 ，4 7 q ，被应用于交流异步电机等多种运动控制系统中。 本文率先将神经网络逆方法引入无刷直流电机，采用d s p 构建出一个无刷 直流电机神经网络逆控制系统，旨在改善无刷直流电机的调速性能。 1 4 论文结构安排 本文共分为五章，主要内容安排如下： 第一章：在介绍课题的研究背景和意义之后，探讨了目前无刷直流电机控制 技术的主要研究热点，包括无位置传感器控制、转矩脉动抑制、恒功率弱磁控制， 智能控制等，最后给出本文的主要研究内容。 第二章：研究无刷直流电机的基本运行原理，进行控制系统建模与仿真。采 8 江苏大学硕士学位论文 用m a t l a b 软件中的s 函数方法建立了无刷直流电机的模型，并对无刷直流电 机传导区和换相区的工作状态进行了分析。 第三章：以逆系统的基本原理为出发点，针对无刷直流电机的数学模型，分 析了该种电机的可逆性。在此基础上，采用神经网络逆方法设计了电机的控制器， 并进行仿真以及实验加以验证。 第四章：为了实现电能的合理利用，采用无刷直流电机的同步整流策略，该 方法能够在定范围内减小电动车控制器中逆变电路的发热问题，与此同时提高 了铅蓄电池的使用效率，延长电动车的续航能力。 第五章：总结和展望。概括了论文所完成的主要工作，并对以后的研究方向 进行展望。 9 江苏大学硕士学位论文 第二章无刷直流电机的基本原理及其建模仿真 本章首先阐述了无刷直流电机的基本结构和工作原理。在此基础上分析了电 机在传导区和换相区的换流过程，对无刷直流电机开环系统进行动态仿真。 2 1 无刷直流电机的基本组成 无刷直流电机主要由电机本体、位置传感器和控制电路三部分组成。电机本 体在结构上与永磁同步电机相似，但没有笼型绕组和其它起动装置。定子绕组制 成多相( 一般为三相) ，永久磁钢按一定极对数( 2 p = 2 ，4 ，) 安装在转子上，具 体结构如图2 1 1 所示。 2 1 1 永磁电机本体 图2 1 1 无刷直流电机本体结构 体 电机本体主要由主定子和主转子组成，它们必须首先满足电磁方面的要求， 保证在工作气隙中产生足够的磁通，电枢绕组产生足够的电流，以便产生一定电 磁转矩：其次要满足机械方面的要求，保证机械结构牢固和稳定，定子绕组一般 为三相且多采用整距集中式绕组，每组绕组导体均匀分布于两个跨距为6 0 。的定 子弧的槽内。转子则由永磁磁钢按一定的极对数组成，转子磁钢的形状呈弧形， 气隙磁通密度呈平顶波分布。采用n d f e b 永磁材料做成的磁钢具有很高的剩余磁 i o 江苏大学硕士学位论文 通密度和很大的矫顽力。此外，稀土永磁材料的磁导通率与空气磁导通率相仿， 对径向结构的电动机交轴和直轴磁路的磁阻均较大，可以最大限度地减小电枢反 应。通常在额定负载内，气隙磁场密度基本不受电枢反应影响，转矩和电流呈线 性关系。 无刷直流电机的转子结构既有传统的内转子结构、外转子结构和线性结构等 新型结构形式，近年来出现的复合转子磁障结构更是丰富了无刷直流电机的类 型。无刷直流电机正朝着大力矩、高精度、微型化等方向发展。 2 1 2 电子换相器 电子换相器是由功率开关和位置信号处理电路组成，主要用来控制定子各绕 组通电的顺序和时间。无刷直流电机本质上是自控式同步电动机，电机转子跟随 定子旋转磁场运动。因此，应按照一定的顺序给定子各相绕组轮流通电，使之产 生旋转的定子磁场。无刷直流电机的三相绕组中通过的电流是1 2 0 0 电角度( 三相 桥式中常见的一种功率开关通电方式，任何时刻只有两相绕组通电) 的方波，绕 组在持续通过恒定电流的时间内产生的定子磁场在空间是静止不动的。而在开关 换相期间，随着电流换相，定子磁场也随之跳跃了一个电角度。转子则随着定子 磁场连续旋转，因此能保持“同步”。无刷直流电机由于采用了自控式逆变器即 电子换相器，它无需像普通同步电动机那样需要启动绕组，而且在负载突变时也 不会产生震荡和失步，这也是无刷直流电机的优点之一【4 8 l 。 2 1 3 位置传感器 位置传感器在无刷直流电机中起着检测转子磁极位置的作用，为功率开关电 路提供正确的换相信息，即将转子磁极的位置信号转换成电信号，经位置信号处 理电路处理后控制定子绕组换相。由于功率开关的导通顺序与转子转角同步，因 而位置传感器与功率开关一起，起着与传统有刷直流电机的机械换向器和电刷相 类似的作用。位置传感器的种类比较多，典型的有下列几种： 1 光电式 它是由发光二极管和光敏晶体管等光电元件组成的电路，利用有槽口的旋转 圆盘的位置进行通断变化。这种方法检测分辨率高，适用于高速运转的电动机。 江苏大学硕士学位论文 2 电磁式 它是由跟随着电动机转子转动的带缺口的导磁圆盘和固定不动的三只差动 变压器组成。转动圆盘体现转子位置信号变化，差动变压器作为检测元件检测转 子位置信号并向逆变器的控制电路输出控制信号。这种方法结构简单、检测可靠。 3 磁敏式 常见的磁敏式传感器有霍尔元件、霍尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏二极管 等多种。其主要工作原理是电流的磁效应，这包括霍尔效应和磁阻效应。它的转 子是永磁结构，其极数与同步电动机的一样，而定子用霍尔元件等磁敏元件来感 受转子磁极位置，发出相应信号。这种方法信号较弱，且精度易受温度影响，但 体积较小，多用于中小型电动机。本系统所使用的位置传感器就是霍尔传感器。 2 2 无刷直流电机的基本工作原理 一般的永磁式直流电动机的定子由采用( n d f e b 等) 材料的永磁体组成，其 主要的作用是在电动机气隙中产生磁场，其电枢绕组通电后产生反应磁场。由于 电刷的换向作用，使得电枢绕组所产生磁场在空间内交变，而永磁体所产生的磁 场始终不变，使得这两个磁场在直流电动机的运行过程中始终保持一定夹角，根 据电机学原理，两个空间上保持一定夹角的磁动势能够产生均匀的力矩，驱动电 动机运转。有刷直流电机电枢绕组中感应的电势和实际通过的电流其实是交变 的，从电枢绕组和定子磁场之间的相互作用来看，它实际上是一台同步电机。这 个同步电机和直流电源之间是通过换向器和电刷联系起来的。在有刷直流电机 中，电刷不仅起着引导电流的作用，而且由于电枢导体在经过电刷所在位置时， 其中的电流要改变方向，所以电刷的位置决定着电机中电流换向的地点。和无刷 直流电机相比，其实无刷直流电机和有刷直流电动机类似，本身也是一台同步电 动机。无刷直流电动机中则采用电子换向装置电子逆变器来代替机械换向 器。尽管二者的构造不同，但它们所起的作用却是完全相同的，都是为了实现直 流电动机的正确换相【4 9 1 。 无刷直流电机为了实现无电刷换相，一般将电枢绕组放在定子上，把永磁磁 钢放在转子上，这与有刷直流永磁电动机的结构相反。与此同时，因为用一般直 流电源给定子上各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动中转子磁钢所产 1 2 江苏大学硕士学位论文 生的永磁磁场相互作用，只能产生单一方向的转矩来驱动转子转动。所以，无刷 直流电机除了由定、转子组成电动机本体外，还需要有位置传感器、控制电路以 及功率逻辑开关共同构成的换相装置，使得无刷直流电机在运行过程中定子绕组 所产生的磁场和转动中的转子磁钢所产生的永久磁场，在空间尽量保持在6 0 0 1 2 0 0 左右的电角度，这样可以达到平均功角9 0 0 的工作方式。 无刷直流电机的电枢绕组通常有三种接法，三相非桥式星形接法，三相桥式 星形接法，三相封闭式桥式接法( 绕组为三角形接法) 。在三相桥式中，功率开 关元件的导通方式又可以分为两两导通( 1 2 0 0 导通型) 和三三导通( 1 8 0 0 导通型) ， 其输出的转矩大小不同，但转矩性质相同。目前多数无刷直流电机采用三相桥式 星形接法，而导通方式采用两两导通( 1 2 0 0 导通型) ，本文亦主要讨论该种无刷直 流电机。 如图2 2 1 所示，电机本体为三相星型绕组，有三个在空间上互差1 2 0 0 电角 度的霍尔传感器安装在电机定子上。当转子上的永磁体所产生的磁力线正向穿出 时，霍尔传感器发出逻辑0 的信号。同理的当转子上的永磁体所产生的磁力线反 向穿出时，霍尔传感器发出逻辑0 的信号。由于不存在三个霍尔传感器同时为1 或同时为o 的情况。因此，三个霍尔信号将产生六种逻辑信号，将整个电机所在 空间分成了六个扇区，每个扇区占有6 0 0 电角度。在每个扇区逆变器都有相对应 的开关方式，以此驱动电机持续转动。 逆盔器 图2 2 1三相无刷直流电动机系统硬件原理图 例如当转子旋转到图2 2 2 ( a ) 所示的位置时，霍尔位置传感器输出的转子位 置信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使v t l 、v t 6 导通，即a 、b 两相绕 组通电，电流从电源的正极流出，经v t l 流入a 相绕组，再从b 相绕组流出， 江苏大学硕士学位论文 经v t 6 回到电源的负极。电枢绕组在空间产生的磁动势如图2 2 2 ( a ) 所示，此 时定转子磁场相互作用，使电机的转子顺时针转动。 当转子在空间转过6 0 。电角度，到达图2 2 2 ( b ) 所示位置时，霍尔位置传感 器输出的转子位置信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使v t i 、v t 2 导通， a 、c 两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经v t l 流入a 相绕组，再从c 相绕组流出，经v t 2 回到电源的负极。电枢绕组在空间产生的磁动势e 如图2 2 2 ( b ) 所示，此时定转子磁场相互作用，使电机的转子继续顺时针转动。 a o x ( a ) v t l 、v t 6 导通，a 、b 相通电( b ) v t l ，v t 2 导通，a 、c 相通电 x p x ( c ) v t 3 、v t 2 导通，b 、c 相通电( d ) v t 3 ，v t 4 导通，b 、a 相通电 图2 2 2 无刷直流电动机工作原理示意图 以此类推，转子在空间每转过6 0 。电角度，霍尔位置传感器就相对应的霍尔 信号，控制器根据霍尔信号确定逆变器的功率开关的顺序，这也就是换相。当电 机顺时针旋转时，功率开关管的导通逻辑顺序为v t 6 叶v t l 、v t l _ v t 2 、 v t 2 _ v t 3 、v t 3 一v t 4 、v t 4 - - v t 5 、v t 5 _ v t 6 、v t 6 - v t l 。表2 2 1 给出了无 刷直流电机持续转动时电角度、相绕组通电以及功率开关管导通顺序的关系。 1 4 江苏大学硕士学位论文 表2 2 1 霍尔位置信号、功率开关导通逻辑和绕组通电对应关系 电角度0 。 6 0 。1 2 0 。18 0 。2 4 0 。3 0 0 。3 6 0 。 abc 导通顺序 bc a b v t l v t 2 v t 3 矿乃 v t 5 v t 6 在图2 2 2 ( a ) 到图2 2 2 ( b ) 的6 0 。电角度范围内，转子磁场沿顺时针连续旋 转，而定子合成磁场在空间保持f 。位置静止。只有当转子磁场连续旋转6 0 。电角 度，到达图2 2 2 ( b ) 所示的f r 位置时，定子合成磁场才从图2 2 2 ( a ) 的f 。位置跳 跃到图2 2 2 ( b ) o o 的f 。位置。可见，定子合成磁场在空间不是连续旋转的，而是 一种跳跃式旋转磁场，每个步进角是6 0 。电角度。 2 3 无刷直流电机的数学模型及其仿真 2 3 1 无刷直流电机的数学模型 以面贴式星型三相六状态b l d c m 为例，为了便于分析，假定：相绕组完 全对称，气隙磁场为方波，定子电流，转子磁场分布对称。忽略齿槽效应和电 枢反应影响。磁路不饱和，不计涡流及磁滞损耗。无刷直流电机的模型可以表 1 5 江苏大学硕士学位论文 示为 i ； = 蚕 0 l m o 。0 l m j d i ， d t 如 d l d i c d t | _ + lu ( 2 3 1 ) b j 式中：u 。、u 护u 。为定子绕组的端电压，i o 、屯、t 为定子绕组的相电流，e 。、 邑、e 为定子各相反电势，以为三相绕组的中性点电压，而只、三、m 分别 为定子绕组的相电阻，相电感和互感。 电磁转矩方程为 瓦：塑_ 螋 ( 2 3 2 ) 式中：z 为电磁转矩，国为电机转子机械角